To study numerically the mechanical behaviors of advanced composite materials considering the microscopic phenomena as well as the macroscopic properties and behaviors, a multi-scale modeling and analysis by the mathematical homogenization method with the help of the finite element method(FEM) are reviewed. The hierarchical modeling strategy and the formulation are briefly described first to give some idea of the multi-scale framework. The latter half of this article focuses on the verification of the multi-scale analysis by the homogenization method in its applications to real advanced materials. The first example is the verification of the predicted macroscopic(homogenized) properties based on the microstructure of porous ceramics. In spite of the complexity of the random microstructure, the error between the predicted and the measured values was only 1%. Next, two applications to the process simulation of fiber reinforced polymer matrix composites are presented. The permeability characteristics are evaluated for sheared weave fabrics for resin transfer molding(RTM) simulation, and the thermoforming of FRTP sheet is analyzed considering the large deformation of the knit structure during the deep-draw forming was verified by comparison with the experimental results.
This paper predicted deformation due to thermal residual stress in composites using finite element analysis. Temperature cycle, Model shape, Laminate angle, Stacking sequence, chemical shrinkage of resin, and thermal expansion are affect composite deformation. Compare the results of the analytical model with the actual model of the same shape. This paper suggests that the analytical results can be applied to actual Model.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.11a
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pp.22-28
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2000
The fiber reinforced composite materials is widely used in aircraft, space structures and robot arms because of high specific strength and high specific modulus. The on-line cure monitoring during the cure process of the composite materials has become an important research area for the better quality and productivity. In this paper, the dielectric circuit of the wheatstone bridge type for measuring the dissipation factor was designed and manufactured. Also, the dielectric sensor for the cure monitoring of the high temperature composites was developed. The residual thermal stresses of the dielectric sensor were analyzed by the finite element method and its dielectric characteristics under high temperature were evaluated. The on-line cure monitoring of the BMI resin was performed using the wheatstone bridge type circuit and developed high-temperature dielectric sensor.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.27
no.6
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pp.520-530
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2007
Combination of the parametric and the wavelet analyses of acoustic emission (AE) signals was applied to identify the failure modes in carbon fiber reinforced plastic (CFRP) composite laminates during tensile testing. AE signals detected by surface mounted lead-zirconate-titanate (PZT) and polyvinylidene fluoride (PVDF) sensors were analyzed by parametric analysis based on the time of occurrence which classifies AE signals corresponding to failure modes. The frequency band level-energy analysis can distinguish the dominant frequency band for each failure mode. It was observed that the same type of failure mechanism produced signals with different characteristics depending on the stacking sequences and the type of sensors. This indicates that the proposed method can identify the failure modes of the signals if the stacking sequences and the sensors used are known.
Almashaqbeh, Hashem K.;Irshidat, Mohammad R.;Najjar, Yacoub;Elmahmoud, Weam
Computers and Concrete
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v.30
no.3
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pp.209-224
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2022
In this paper, the artificial neural network (ANN) is employed to predict the flexural behavior of reinforced concrete (RC) beams retrofitted with carbon fiber/epoxy composites modified by carbon nanotubes (CNTs). Multiple techniques are used to improve the accuracy of the ANN prediction, as the data represents a multivalued function. These techniques include static ANN modeling, ANN modeling with load history, and ANN modeling with double load history. The developed ANN models are used to predict the load-displacement profiles of beams retrofitted with either CFRP or CNTs modified CFRP, flexural capacity, and maximum displacement of the beams. The results demonstrate that the ANN is able to predict the flexural behavior of the retrofitted RC beams as well as the effect of each parameter including the type of the used epoxy and the presence of the CNTs.
Kim, Young-Woo;Min, Kyung-Hwan;Yang, Jun-Mo;Yoon, Young-Soo
Journal of the Korea Concrete Institute
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v.21
no.6
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pp.705-712
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2009
HPFRCCs (high-performance fiber reinforced cementitious composites), which is relatively more ductile and has the characteristic of high toughness with high fiber volume fractions, can be used in structures subjected to extreme loads and exposed to durability problems. In the case of PVA (polyvinyl alcohol) fiber, it is noted by former studies that around 2% fiber volume fractions contributes to the most effective performance at HPFRCCs. In this study, flexural tests were carried out to evaluate the flexural behavior of HPFRCCs and to optimize mix proportions. Two sets of hybrid fiber reinforced high performance specimens with total fiber volume fraction of 2 % were tested: the first set prepared by addition of short and long PVA fibers at different combination of fiber volume fractions, and the second set by addition of steel. In addition, in order to assess the performances of the HPFRCCs against to high strain rates, drop weight tests were conducted. Lastly, the sprayed FRP was applied on the bottom surface of specimens to compare their impact responses with non-reinforcing specimens. The experimental results showed that the specimen prepared with 1.6% short fibers (REC 15) and 0.4% long fiber (RF4000) outperformed the other specimens under flexure, and impact loading.
Hamdy, Gehan A.;Kamal, Osama A.;El-Hariri, Mohamed O.R.;El-Salakawy, Tarik S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.65
no.5
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pp.611-619
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2018
This paper addresses numerical modeling and nonlinear analysis of unreinforced masonry walls and vaults externally strengthened using fiber reinforced polymers (FRP). The aim of the research is to provide a simple method for design of strengthening interventions for masonry arched structures while considering the nonlinear behavior. Several brick masonry walls and vaults externally strengthened by FRP which have been previously tested experimentally are modeled using finite elements. Numerical modeling and nonlinear analysis are performed using commercial software. Description of the modeling, material characterization and solution parameters are given. The obtained numerical results demonstrate that externally applied FRP strengthening increased the ultimate capacity of the walls and vaults and improved their failure mode. The numerical results are in good agreement with the experimentally obtained ultimate failure load, maximum displacement and crack pattern; which demonstrates the capability of the proposed modeling scheme to simulate efficiently the actual behavior of FRP-strengthened masonry elements. Application is made on a historic masonry dome and the numerical analysis managed to explain its structural behavior before and after strengthening. The modeling approach may thus be regarded a practical and valid tool for design of strengthening interventions for contemporary or historic unreinforced masonry elements using externally bonded FRP.
In order to evaluate the strength of carbody structures of railway rolling stock made of laminated fiber-reinforced composite materials, total laminate approach was introduced. Structural analyses were conducted to check the basic design of hybrid composite carbody structures of the Korean Tilting Train eXpress(TTX) with the service speed of 180km/h. The mechanical tests were also conducted to obtain strengths of composite laminates. The results show that all stress components of composite carbody structures are inside of failure envelopes and total laminate approach is recommended to predict the failure of hybrid composite carbody structures at the stage of the basic design.
The bipolar plate is a major component of the PEM fuel cell stack, which takes a large portion of stack cost. In this study, as alternative materials for bipolar plate of PEM fuel cells, graphite composites were fabricated by compression molding. Graphite particles mixed with epoxy resin were used as the main substance to provide electric conductivity. To achieve desired electric properties, specimens made with different mixing ratio, processing pressure and temperature were tested. To increase mechanical strength, one or two layer of woven carbon fabric were added to the original graphite and resin composite. Thus, the composite material is consisted of the three phases: graphite particles, epoxy resin, and carbon fabric. By increasing mixing ratio, fabricated pressure and process temperature, electric conductivity was improved. The results of tensile test showed that the tensile strength of two-phase graphite composite was about 5MPa, and that of three-phase composite was increased to 54MPa.
Arani, Ali Ghorbanpour;Maraghi, Zahra Khoddami;Ferasatmanesh, Maryam
Structural Engineering and Mechanics
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v.63
no.1
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pp.65-76
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2017
This research investigated the vibration frequency of sandwich plate made of piezoelectric fiber reinforced composite core (PFRC) and face sheets of piezomagnetic materials. The effective electroelastic constants for PFRC materials are obtained by the micromechanical approach. The resting medium of sandwich plate is modeled by Pasternak foundation including normal and shear modulus. Besides, sandwich plate is subjected to linearly varying normal stresses that change by load factor. The coupled equations of motion are derived using first order shear deformation theory (FSDT) and energy method. These equations are solved by differential quadrature method (DQM) for simply supported boundary condition. A detailed numerical study is carried out based on piezoelectricity theory to indicate the significant effect of load factor, volume fraction of fibers, modulus of elastic foundation, core-to-face sheet thickness ratio and composite materials on dimensionless frequency of sandwich plate. These findings can be used to aerospace, building and automotive industries.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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